学会了玩街霸Ⅱ的AI，你怕不怕？

大数据文摘作品

编译：元元、Chloe、朱颜夫、亭八

上周，我们带领着团队去参加了三星开发者大会（Samsung Developer Conference, SDC）。众所周知，一个展位会很容易让人变得无聊透顶，人们想要了解一个产品，可以在互联网搜索到各种相关的信息，而传统的免费T恤+产品传单早已过时。在设计SDC展位的时候，我们开始思考如何制作一个有趣的展位，毕竟我们的团队也要在上面呆两天。于是我们做了一件事情：让Gyroscope的AI在超级任天堂（Super Nintendo Entertainment System ，SNES)上征战“街头霸王2：究极格斗”，通过各个角色间的互搏，让Gyroscope学会格斗技巧。

Gyroscope 的AI通常不会用来玩电子游戏，我们也没有超级任天堂的软件开发包(Software development kit，SDK)。所以在SDC大会前，我们想法设法从“街头霸王2：究极格斗”中提取游戏信息，建立Gyroscope的超级任天堂SDK，然后让 Gyroscope的 AI与游戏内置的计算机对手进行数千场游戏比拼，同时我们不断调整AI的参数，让它适应这个特殊的应用程序。为了让现场的气氛活跃起来，我们还为每个角色举行了“四强”单淘汰制比赛，同时让与会者选择他们认为会赢的角色，选对的人可以参加SNES Classic的抽奖活动。

训练AI

首先，我们必须弄清楚我们实际上要解决什么问题。我们把玩街头霸王2的问题抽象为强化学习问题（Gyroscope的AI解决方案支持的问题类型之一）。在强化学习问题中，AI评估各种方案，选择要采取的行动，为此获得回报。这个AI程序的目标是根据过去观察到的行为，采取最佳的行动，来最大化可获得的奖赏。所以在我们开始应用AI之前，我们需要定义“街头霸王2”的观察内容，即人工智能“看到的”是什么，以及行动和奖赏。

观察内容

我们可以将这些想象成AI在环境中“看到”的东西。当人类观察游戏的时候，首先看到的是每个角色，以及角色的跳跃、移动、踢等，同时还能看到角色的血条和计时器。我们需要将这些信息提取出来，转化成AI可以理解的格式，这种格式被称为“观察空间”。在强化学习中，观察空间有两种常见的思路，传统的方法是测量我们人类认为与问题相关的具体信号。现代的方法是为AI提供每次行动后的全部环境图像，让AI决定图像中的重要元素。我们通常认为现代的方法更好，因为它有更好的普适性，不需要对特征的重要性做过多的假设，但是这种方法往往需要更长的训练时间，考虑到时间的限制，我们选择了传统的方法，并手动定义观察空间。

具体而言，我们将观察空间定义为：

• 每个玩家的X和Y坐标

• 每个玩家的血条

• 每个玩家是否在跳跃

• 每个玩家是否蹲伏

• 为每个玩家的动作编号

• 玩家之间X和Y坐标差的绝对值

• 游戏时钟

游戏观察空间示例

另外，这个观察空间是超大的，不重复的观察点达到了万亿甚至更多！

行动

AI观察环境后必须采取行动，最简单的使角色行动的方法是采用超级任天堂手柄上的按钮：上、下、左、右、A、B、X、Y、L、R。然后，单个行动就是一组按钮组合，如果我们考虑所有可能的按钮组合，就会产生1024（2^10）个可能的行动。但这个可能的行动太多了！即便AI最终能学会，也需要训练很长一段时间才能知道哪些行为有效，哪些不行。不过，任何“街头霸王2”的玩家都知道并不是所有的按钮都可以随时按下，而且，许多动作要通过按键顺序达到更好的效果。

基本动作

“街头霸王2：究极格斗”充分利用了CAPCOM摇杆和超级任天堂手柄。下面的示意图包括8种基本控制的位置以及他们在游戏中的用法。

方向控制（来自街头霸王2：究极格斗游戏说明书）

从12点方法顺时针：跳跃，向前翻转，向前，进攻蹲伏，蹲伏，防御蹲伏，防御，向后跳跃。

手柄按钮控制（来自街头霸王2：究极格斗游戏说明书）

从左上顺时针：重击，重踢，中等击打，中等踢，轻踢，轻击

考虑行动空间的另一个方向是一组动作，比如高踢、扔、勾拳等， 我们可以让AI选择一个动作，然后把这个动作转换成一组按钮。但确定一个角色的动作需要一段时间，因为我们需要大量的查阅Google，以及自己亲自玩，而且对每个角色都要重复这个过程。所以为了缩短训练时间，我们将动作空间简化为一个按下方向控制和按下一个按钮控制（例如“上+A”或“L”）的组合，同时是否按下都是可选的，这一构建方法使得行动空间缩减成了35个可能的行动。另外还要告诉各位的是，更高级的动作和组合仍然可能随着训练时间的增加而出现，但是这部分留给了AI自行探索。

回报

最后，我们还要去思考：一旦采取行动，AI就会收到回报。当人类玩游戏的时候，会通过血条和伤害的大小，对游戏目前的状况大体上有一个认识。所以AI需要通过一个数字的形式来理解游戏状况，让它们使这个数字最大化从而获得最佳奖励，我们选择了每一帧的血条差距作为回报。所以，在每次观察时，AI都会得到相当于玩家之间血条差距的奖励。例如，如果AI通过踢对手造成对方受到10点伤害，之后的血条差距将会是10点，AI得到同样数量的回报。但如果AI在下次观察后不采取行动，在“无”的情况下仍然得到10点，因为它保持了血条差距。相反的，如果AI被踢并且没有防御下来，则血条差距将会减小。所以这个差值可能也是负的，这表明AI此时的状态不佳。

一场街头争霸比赛中Dhalsim（一个游戏角色）得到的回报

创造人工智能的人工智能

以上是我们讨论的最终在比赛中采用问题的构建方法。同时我们也调整了AI系统的参数，因为Gyroscope的自主AI是一个算法的算法，它可以找到每个问题适用的算法。有了这么多关于“街头霸王”问题的信息之后，我们抄了一个近道，选择深度Q网络 (Deep Q-network, DQN)作为强化学习方法，也对DQN进行了一些修改。值得一提的是基于图像观察空间缺失的修改：DQN使用模型来预测哪些行动最佳，而不是用穷举法测试每个可能的行动。毕竟考虑到观察空间的大小，探索每个可能的行动几乎是不可能的。

模拟器连接

在我们训练人工智能之前，我们必须把它连接到街头霸王上。Gyroscope可以通过iOS和Unity的SDK连接。但我们目前还没有超级任天堂的SDK，因此我们需要找到可以帮助我们测试超级任天堂游戏的工具，以便我们可以使用我们的AI技术来玩这些游戏。幸运的是，我们从电脑辅助竞速(Tool-assisted speedrun)社区找到了合适的连接经典游戏机的工具（竞速一族为了尽可能快地赢得各种游戏，他们通常一帧一帧的查找游戏漏洞）。

怎么夸都不够

我们不仅需要模拟器，还需要支持模拟器核心的工具。我们发现了BizHawk，它可以支持多种模拟器核心，包括超级任天堂的核心。

BizHawk可以提供的重要功能：

• 一个Lua语言脚本界面，让我们逐帧控制游戏;

• 一套控制台内存检查工具，以便检查游戏内存（全部或特定地址）;

• 运行中可以不受速度限制，也不需要显示，从而最大化游戏的帧率;

• BizHawk源代码。

特别对于“街头霸王”而言，Lua界面允许我们发送手柄按键信号，读取按下按钮信号，读取存储位置以及控制核心模拟器。内存检测器让我们获取对手的血条情况，对手的动作以及其他观察数据。请注意，我们只使用人类玩家知道的信息;我们没有让AI了解人类不知道的任何信息。

老实说，我们怎么夸BizHawk都不够。不仅产品是一流的，源代码也非常整洁，可读，可扩展。我们很高兴与这个代码库合作——后面你就可以看到了，源代码变非常重要。

初次尝试：用Lua写Gyroscope SDK

BizHawk应用程序嵌入了Lua脚本引擎，并对该引擎开放了一些模拟器功能。所以初次尝试我们自然而然地想到用Lua写Gyroscope SDK。我们写了一个Lua库，用于访问所有的内存位置，这些位置随后会被转换为观察结果，还用于向模拟器发送键盘按键。

但是，如何把Lua中的数据放入Gyroscope呢？要知道，Lua接口不支持任何networkI/O！而我们的服务又在云端运行，这是一个大问题。对此我们唯一能用的只有fileI/O和SQLite I/O。

我们写了一些python代码，从Lua写的文件中读取游戏观察结果并将其发送到Gyroscope，但是很难与Lua同步，而且将动作（按按钮）返回到Lua也很奇怪。再者，这一过程特别慢，即便把文件放入RAM磁盘也依然很慢。我们尝试用SQLite来做同样的事，也遇到了同样的问题——速度太慢。

鉴于此，我们决定将SDK代码从Lua转移到本地的BizHawk工具；这些工具是用C#写的，BizHawk全部都是用C#写的。我们保留了之前写的python代码，因为它提供了一个简易的接口与我们的服务（gRPC语言）对接，还保证了AI玩家之间的同步（确保他们在相同的帧，等等）。我们把这些python代码命名为模拟器控制器。

妥了：全部用C#写

BizHawk提供了一个简单的C#界面，利用工具来控制游戏和模拟器的方方面面。我们使用这一接口将Lua代码导入C#，很快有了一个用C#操作街霸的工具。

在C#中我们能够访问所有的.NET库，所以很快通过插口连接到我们的模拟器控制器代码。我们从游戏中的每一帧抓取一个观察结果，将观察结果发送给模拟器控制器，控制器将咨询Gyroscope AI，并向模拟器返回下一帧应该按下的动作（按钮）。

我们现在有了运行街霸II的有效方法，就像在主机上玩一样快，向Gyroscope发送游戏观察结果，返回控制器应按下的按钮动作。我们也有能力同步比赛的AI机器人双方。是时候出来训练了！

综合起来：训练AI

训练初期，AI（图中Dhalsim）随机按下按钮

定义好观察结果、动作、奖励值，再将AI连接到超级任天堂，我们准备好啦。针对内置的游戏机器人来训练我们的AI。每个角色大约训练8小时或者说3000场比赛。

我们的假设是，训练好的AI将:

（1）最大限度地提高奖励值，

（2）可以在训练结束后拥有相当高的胜率。

训练3000场比赛后，Dhalsim积极进取，胜率50%

因为玩街霸是对我们服务创造性的应用，所以我们预设要做一些必要的调整——我们的AI之前不会对上述快速奖励值进行优化，也没有控制过这样大的动作空间。经过了两个特别有意思的周末，我们尝试了观察空间、动作空间、奖励值函数和DQN参数的许多变体，直到得到一个高胜率的AI。

训练期间的胜率和模型损失

除了标准模型调优技术和良好的科学原则（一次只改变一个量），我们还有一个重大发现：方向控制按压与按钮控制按压的权重不同。我们发现方向控制只对一帧有效，在游戏中影响很小；然而，按钮控制一旦按下，作用会维持一系列帧，在游戏中影响重大。比如，完成拳击这一动作需要很多帧。这意味着在一帧内采取的动作会延续很多帧。此外，虽然与方向控制按压相比，按钮按压非常重要，但相应地也需要更加频繁的按压才能起作用。为了完成这一游戏行为，也为了使AI行为更加人性化，我们让AI在20帧（即1/3秒）内一直重复按钮按压，完后再采取下一个动作。在这20帧内奖励值累积。换句话说，我们让AI以1/3秒游戏时间为单位来采取动作、观察结果，不是以每帧为单位。

我们常常被问到，为什么不用“获胜”作为奖励值。简单来说，这样做奖励值是延迟的，会导致训练更困难更耗时。健康差值是合理的探索，我们相信这样会引起获胜——嗯，它做到了。

Gyroscope获胜！

80％胜率；注意AI机智地拦截对方招数，还神奇地走位

刚开始训练的时候，我们的AI随机行动，对战3星级对手（街霸采用星级评价体系）的胜率是20%。所以，20％胜率是底线，超过20%才能说明AI取得了成效。最后， AI对抗游戏内置3星级机器人的胜率达到90％！设置得非常简单，训练时间又短，能取得这样的成绩我们很激动。此外，我们预计训练过程再长点的话还能达到更高的胜率，但可能会对训练用的机器人过拟合。针对比赛，取得80％胜率后我们就停止训练，以避免过拟合。

WindowsBAT脚本最差

一切都很糟

AI获胜后，我们开始用街霸II的每个角色训练它。为了训练每个角色，我们使用Google云端平台支持多个Windows Server 2016实例（在Windows上构建BizHawk效果最佳），然后写了一些.bat脚本进行全部的训练。训练需要通过一些R脚本来自动完成玩家选择、游戏重置、模型记录、进度绘制等功能。我们为BizHawk增加了一些命令行选项，使其更容易自动化。

会场上：战斗吧！

SDC上我们的展位

会场上，我们布置展位来展示四场AI战斗，场场都是两个AI控制的角色对抗。我们还画了比赛树状图——安排展位没展示到的角色参加比赛。

我们摆放了分别贴有每个角色照片的罐子，向观众发放抽奖券。观众将抽奖券放入自己认为会获胜的角色的罐子里；比赛结束后，我们从获胜角色的罐子中抽一张券，这张券的持有人获得一台迷你超级任天堂！我们还展示了训练过程，让观众看到GyroscopeAI的工作原理。

每天下午4:30，我们按树状图进行比赛。先测试一场，再进行正式比赛。

第一天的比赛：M.Bison碾压全场。

四分之一决赛

Guile对战Vega：Guile被吊打。Vega AI很快就学会了缩短距离，弯腰躲闪，刺向对方，用着飘逸的走位，Vega胜出。

Blanka对战M.Bison：M.Bison实力碾压。他的独门攻击几乎无法阻挡，就这样，M.Bison胜出。

Chun-Li对战Sagat：Chun-Li也是近距离作战——她的速度和近地攻击打败了Sagat的长距离袭击和频繁神奇的走位。Chun-Li胜出。

Balrog对战Dhalsim：十分有趣——Dhalsim几乎一直在空中，用他的长腿攻击Balrog。Dhalsim胜出。

半决赛

Vega对战M.Bison：M.Bison的攻击太猛烈了。M.Bison进入决赛。

Chun-Li对战Dhalsim：Dhalsim在空中发起的进攻杀伤力非常大，轻松击败Chun-Li。

决赛

M.Bison对战Dhalsim：基本上M.Bison角色太过强大以至于无可匹敌。M.Bison获胜！

第二天的比赛：E.Honda搅动风云

E.Honda对战Blanka

第二天，我们重新开始比赛，M.Bison从比赛中除名（夜里他因以作弊代码的形式滥用兴奋剂被捕）。我们选择让E.Honda加入，但他在测试时表现很差。

当天有两场战斗格外引人注目：

（1）Vega对抗Sagat，是一场持久战，Vega靠近Sagat时，至少躲过了三次Sagat的神奇走位（两次是拿准时间的弯腰躲闪，一次是跃过火球）；

（2）决赛，E.Honda对抗Sagat。决赛E.Honda击败Sagat是一场难以置信的战斗，最后他俩的血量都已经接近0了，这时E.Honda一击制胜。E.Honda这次能赢真的是运气特别好，因为我们之后又重新进行了100场E.Honda对战Sagat的比赛，E.Honda只赢了11场。 

Gyroscope创始人（我们）和第二天迷你超级任天堂的获得者

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